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LES PILES A COMBUSTIBLE

LES PILES A COMBUSTIBLE. Antonio Delfino Conception et Développement MICHELIN 1762 Givisiez. Sommaire. Parallèle entre pile à combustible et machine thermique Les différents types de piles à combustible (PAC) Applications des PAC Principe de la PAC La cellule de base d’une PAC

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LES PILES A COMBUSTIBLE

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Presentation Transcript

  1. LES PILES A COMBUSTIBLE Antonio Delfino Conception et Développement MICHELIN 1762 Givisiez

  2. Sommaire • Parallèle entre pile à combustible et machine thermique • Les différents types de piles à combustible (PAC) • Applications des PAC • Principe de la PAC • La cellule de base d’une PAC • Réactions chimiques dans une PAC • Construction d’une PAC • Performances • Objectifs de progrès

  3. CARNOT Energie Mécanique Energie Electrique Moteur Electrique Carburant (Energie Chimique) Moteur Thermique Chaleur Pile à Combustible Pile à Combustible: Convertisseur d’énergie

  4. Machines Thermiques « CARNOT » Piles à Combustible « GIBBS » 1 Kg/kw à 3 Kg/kw Rendement Maximum Rendement Maximum TENSION - T T h = travail h = 1 2 TENSION T max 1 0.3 à 3 Kg/Kw 0.15 à 2 Kg/Kw

  5. Exemple de Rendement Maximum d’une Machine de CARNOT Turbine à vapeur Source chaude: Température de travail T1 = 675 oK Source froide: Température des gaz condensés T2 = 325 oK - 675 325 h = = = 0 . 52 52 % 675 Exemple de Rendement Maximum d’une Pile à Combustible à 80 oC Tension de travail V1 = 1.18 V Tension maximum V2 = 1.47 V 1 . 18 h = = = 0 . 80 80 % 1 . 47

  6. Solid Oxide Fuel Cell SOFC Les Différents Types de Piles à Combustible Applications stationnaires Phosphoric Acid Fuel Cell Molten Carbonate Fuel Cell PAFC MCFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC NASA Applications mobiles Alkaline Fuel Cell AFC 200 100 600 900 [°C] Température de fonctionnement

  7. APPLICATIONS Puissance Ordinateurs portables 5 W Outillage sans fil 50 W Auxiliaires 1 kW Générateurs portables Automobile 30-80 kW 200 kW Bus 1 MW Centrale Electrique

  8. H2O H2 + 1/2 O2 H2 + 1/2 O2 H2O Principe de la Pile à Combustible Pile à Combustible (Electrolyse inverse) Electrolyse

  9. Réaction globale : Anode Cathode 1/2O2 + 2H++2e- -> H2O H2 -> 2H++2e- H2 + 1/2 O2 H2O La Cellule de Base d’une Pile à Combustible Membrane échangeuse d’ions Moteur Electrique Couche de Diffusion Tension pratique: e- Couche de Diffusion e- 0.6 – 1 Volt H2O H + H2 O2

  10. H2 2 e- + 2H+ Réaction Catalytique à l’Anode Dissociation Electronique Adsorption Dissociation Désorption H2 e- H+ e- e- H+ e- Pt Pt Pt Pt Pt Pt=Platine

  11. Platine Pile à Combustible : 3-Phases Membrane Echangeuse d’ions H+ Particules de PLATINE (nm) e- e- H+ H2 H+ Pores pour l’entrée de l’ H2 Particules de Graphite (50 mm)

  12. Réaction Catalytique à la Cathode H2O OH O2 + 4 e- + 4H+ 2 H2O H3O+ e- H3O+ H2O O2 e- Pt Pt H3O+ H2O H2O e- Pt H3O+ e- Pt Pt Pt=Platine

  13. e- e- e- e- e- H+ H+ H2 O2 H2O Pile à Combustible : 3-Phases ANODE CATHODE

  14. Structure de la Membrane Echangeuse d’Ions Compositions de deux Nanophases: • Colonne vertébrale hydrophobe • qui permet l‘intégrité mécanique • Le proton est conduit via des canaux hydrophiles 1 nm [ ( C F C F ) ( C F C F ) ] n x 2 2 2 : Proton O C F C F C F 2 3 O C F C F S O H 2 2 3 Acide Sulfonique

  15. => + Construction d’une Pile à Combustible Deux Cellules Assemblage Bipolaire Plaque Bipolaire - + - + - + - + Cathode Anode Membrane Plaque Bipolaire

  16. LA REALITE Plaque Bipolaire Plaque Bipolaire Membrane Joint d’étanchéité Diffuseurs + Electrodes

  17. Dimensionnement d’une PAC de 20 Kw • Hypothèse: Assemblage des cellules en série • Chaque cellule fournit entre 0 et 1.1 Volts • La tension est dépendante du nombre total de cellules • Le courant est dépendant de la surface totale d’une cellule • Pour un rendement de 60%: • Choix 200 cm2 de surface active par cellule  I=260A • Avec 122 cellules on a U=122*0.63V = 77 Volts • La puissance P=U*I = 77V * 260A = 20 Kw • la tension de travail est 0.63V/cellule • la densité de courant est de 1300 mA/cm2

  18. Caractéristique Tension - Courant

  19. Durée de Vie d’une PAC Objectif 2011 5000 h

  20. Coût d’une PAC Objectif 2011 30 $/Kw

  21. Pour conclure, retenons: • La PAC convertit directement de l’énergie chimique • en énergie électrique • La PAC n’émet que de l’eau i.e. une pollution zéro • La PAC fonctionne silencieusement • La PAC a un rapport poids puissance important (1 Kg/Kw) • La PAC travaille à haut rendement (entre 80% et 60%) • La PAC est constituée de très peu d’éléments différents • La PAC a peu de constituants mobiles • L’objectif: atteindre 5000 h et 30 $/Kw en 2011

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